(57)【要約】【課題】圧電素子を用いたマイクロポンプは流量が２桁以上も少なく、ラジアルコンプレッサと磁石型モータを組合わせた小型送風機では流量／圧力の仕様を満たすもののサイズが大きい。また、米ＭＩＴ開発の半導体製造工程を流用した超小型ターボ型送風機では、高回転軸受支持に静圧型を採用していたので別途送風機が必要となり小型化に繋がらなかった。【解決手段】主流吸気口と主流排気口とスラスト軸受からなる上ケーシング層と、動翼と軸と静電モータ電極を具備したロータと静翼とジャーナル軸受を具備したステータとからなるロータ・ステータ層と、スラスト軸受と静電モータ電極からなる下ケーシング層とを備えたマイクロ回転流体機械動圧空気軸受において、上記ジャーナル軸受を、上記動翼の設けられた面の裏面の上記ロータ・ステータ層上に設けたので、マイクロポンプを小型化でき、送風機全体の効率が向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流吸気口と主流排気口とスラスト軸受からなる上ケーシング層と、動翼と軸と静電モータ電極を具備したロータと静翼とジャーナル軸受を具備したステータとからなるロータ・ステータ層と、スラスト軸受と静電モータ電極からなる下ケーシング層とを備えたマイクロ回転流体機械動圧空気軸受において、
上記ジャーナル軸受が、上記動翼の設けられた面の裏面の上記ロータ・ステータ層上に設けられたことを特徴としたマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項２】
前記動翼を具備した面のロータ直径を１．０とした時に、上記動翼を具備していない面のロータ直径を０．５〜１．０の範囲のサイズとしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項３】
前記ジャーナル軸受は、パッド型動圧空気軸受からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。 
【請求項４】
前記ジャーナル軸受は、多円弧型動圧空気軸受からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項５】
前記ロータ・ステータ層の前記動翼を具備した面内に設けた軸に対向する前記上ケーシング面に上部スラスト空気軸受を、上記動翼を具備していない面に対向する前記下ケーシング面に下部スラスト空気軸受を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項６】
前記スラスト空気軸受は、ロータに具備した軸上および動翼の設けられた面の裏面のロータ上、または、これらに対向する面の上および下ケーシング上に配設されたスパイラルグルーブ動圧空気軸受からなることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項７】
前記ロータ表面に有機物を被覆したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項８】
前記ロータに対向する上ケーシング面および下ケーシング面に無機物を被覆したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項９】
構成材料がシリコン、アルミナ、石英ガラスなどの半導体製造工程で利用可能な材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７または請求項８記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項１０】
前記ロータの構成材料が樹脂などの有機材料であることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７または請求項８または請求項９記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【請求項１１】
前記上ケーシング層、前記ロータ・ステータ層、および、前記下ケーシング層は、半導体製造工程を流用加工した方法で製作されることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７または請求項８または請求項９または請求項１０記載のマイクロ回転流体機械動圧空気軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主流吸気口と主流排気口とスラスト軸受からなる上ケーシング層と、動翼と軸と静電モータ電極を具備したロータと、静翼とジャーナル軸受を具備したステータとからなるロータ・ステータ層と、スラスト軸受と静電モータ電極からなる下ケーシング層とを備えたマイクロ回転流体機械動圧空気軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェットプリンタ用マイクロポンプ、ＤＮＡチップ用マイクロポンプなど半導体製造技術を応用して製作した超小型ポンプを搭載した製品が多数見受けられるようになった。
【０００３】
これらの製品に搭載されているポンプの性能はおよそ、流量が数μリットルから数百μリットルオーダ、圧力が数キロパスカルから数百キロパスカルオーダである。
【０００４】
一方、流量、圧力がそれぞれリットルオーダ、数キロパスカルオーダの超小型送風機が燃料電池などで求められているが、従来の圧電素子を用いた超小型送風機では、この素子を数ミクロンオーダで変位させて圧力差を発生させて流体が流れる仕組みであるため、原理的に仕様を満たすことができない。
【０００５】
そこで、図７に示すようなロータ直径がｍｍオーダの超小型ラジアルコンプレッサとモータを、半導体製造技術を応用して製作し、大きな圧力差を得て、流体を流す原理のポンプ開発が米ＭＩＴなどで行われている（非特許文献１参照）。
【０００６】
このポンプの原理は機械加工によって製作したロータ直径ｃｍオーダの従来のターボ型送風機と同じである。
【非特許文献１】Ｌｕｃ  Ｇ．  Ｆｒｅｃｈｅｔｔｅ，  ”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｏｔｏｒ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ”，  ＰｈＤ  ｔｈｅｓｉｓ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような従来装置では、従前の送風機と同一性能（圧力差）を超小型サイズで得るためには、従来送風機と同等の周速度にしなければならない。つまり、直径が小さくなる分、回転数を高くしなければならない。
【０００８】
米ＭＩＴの例では数キロパスカルの差圧を得るため、直径４ｍｍのコンプレッサを１分間あたり数１０万回転させている。さらにこの原理の送風機では回転体を保持するために回転軸方向と半径方向にそれぞれスラスト軸受、ラジアル軸受を設けていた。
【０００９】
従来、これらの軸受には様々な方式が考案され適用されてきたが、超小型の送風機では従来型送風機よりも回転体の直径が小さく、回転数が高いため、ボールベアリングなどの軸受を適用する事は不可能である。
【００１０】
また、半導体製造工程を応用したプロセスを前提に加工する超小型送風機では、平面内の加工は可能であるが、この面と垂直な面への加工は実質不可能である。このため、ラジアル軸受にヘリングボーン型軸受の適用も不可能である。
【００１１】
そこで、米ＭＩＴの例では超高速回転体を保持するための軸受として、スラスト、ラジアル方向共に静圧型を採用していた。静圧軸受は外部に別の空気源を必要とするため、送風機を駆動するためにもうひとつ送風機が必要になってしまうことになる。従って、超小型送風機とこの静圧軸受へ流体を供給するために必要な送風機をあわせた全体の構成では劇的な小型化に繋がらなかった。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、従来の静圧型気体軸受を動圧型に改良することで、外部から流体を供給することなくラジアルコンプレッサ自身の回転によって回転軸が支持されることとなり、送風機を小型化することが出来るようになり適用範囲を広げると共に、層数を減らすことによって高性能小型マイクロ気体軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、主流吸気口と主流排気口とスラスト軸受からなる上ケーシング層と、動翼と軸と静電モータ電極を具備したロータと静翼とジャーナル軸受を具備したステータとからなるロータ・ステータ層と、スラスト軸受と静電モータ電極からなる下ケーシング層とを備えたマイクロ回転流体機械動圧空気軸受において、上記ジャーナル軸受が、上記動翼の設けられた面の裏面の上記ロータ・ステータ層上に設けられたものである。
【００１４】
また、前記動翼を具備した面のロータ直径を１．０とした時に、上記動翼を具備していない面のロータ直径を０．５〜１．０の範囲のサイズとしたものである。
【００１５】
また、前記ジャーナル軸受は、パッド型動圧空気軸受からなる。
【００１６】
また、前記ジャーナル軸受は、多円弧型動圧空気軸受からなる。
【００１７】
また、前記ロータ・ステータ層の前記動翼を具備した面内に設けた軸に対向する前記上ケーシング面に上部スラスト空気軸受を、上記動翼を具備していない面に対向する前記下ケーシング面に下部スラスト空気軸受を設けたものである。
【００１８】
また、前記スラスト空気軸受は、ロータに具備した軸上および動翼の設けられた面の裏面のロータ上、または、これらに対向する面の上および下ケーシング上に配設されたスパイラルグルーブ動圧空気軸受からなるものである。
【００１９】
また、前記ロータ表面に有機物を被覆したものである。
【００２０】
また、前記ロータに対向する上ケーシング面および下ケーシング面に無機物を被覆したものである。
【００２１】
また、構成材料がシリコン、アルミナ、石英ガラスなどの半導体製造工程で利用可能な材料からなるものである。
【００２２】
また、前記上ケーシング層、前記ロータ・ステータ層、および、前記下ケーシング層は、半導体製造工程を流用加工した方法で製作されるものである。
【発明の効果】
【００２３】
したがって、本発明による動圧軸受を適用することで、小型化すると共に、静圧型軸受駆動に必要であった送風機の動力が不要となり、送風機全体の効率が向上するという効果を得る。
【００２４】
また、加工方法が半導体製造工程を応用した方法を用いることで、一括加工が可能となり、従来のフォイル軸受に見られるような構造、組立て調整が複雑であった軸受と比較して単純な構造で高速回転体を支持できる軸受を提供することができるという効果も得る。
【００２５】
また、本発明による軸受をマイクロガスタービン等の他のマイクロ回転流体機械に採用するとで、単独で回転体として成立することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１および図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例にかかるマイクロ送風機の概念図を示したものである。ここで、図１は上ケーシング層、ロータ・ステータ層、下ケーシング層から構成するマイクロ送風機の全体構成を分解した状態で鳥瞰した図を示し、図２（ｂ）はロータ・ステータ層の断面図を示し、図２（ｃ）は図２（ｂ）に示したジャーナル軸受部の図を示し、図２（ｄ）は図２（ｂ）に示した下部スラスト軸受部の図を示し、図２（ａ）は図２（ｂ）に示した軸上に設けた上部スラスト軸受部の図を示す。
【００２８】
なお、以下の実施例では、圧縮機翼形状の動翼とモータを組合わせたマイクロ送風機へ適用した場合についてのみ説明するが、タービン翼形状の動翼とモータを組合わせたマイクロ膨張タービン、マイクロガスタービンなどのマイクロ回転流体機械へ適用した場合にも同様な効果が得られることをはじめに断っておく。
【００２９】
図において、上ケーシング層１１１には、その中央部に主流吸気口１０８が設けられ、一方の対角上には、一対の主流排気口１０９が設けられている。
【００３０】
また、中間のロータ・ステータ層には、ロータ１０１を構成する動翼１０２および軸１０３がその中心部に設けられ、その外側には、スタータ１０４および静翼１０５が設けられている。ここで、動翼１０２と静翼１０５とは、モータを構成する態様に複数配設されている。
【００３１】
また、下ケーシング層１１３には、その中央部に、スラスト空気軸受１０６が設けられている。
【００３２】
このようにして、上ケーシング層１１１、ロータ・ステータ層１１２、および、下ケーシング層１１３を積層して、３層構成のマイクロ送風機が形成されている。
【００３３】
また、この３層構成のマイクロ送風機は外部から電気的エネルギを供給することで、ロータ・ステータ層１１２と下ケーシング層１１３との間に形成した静電モータ（図示していない）によりロータ１０１が回転する。
【００３４】
この回転によって、ロータ１０１上に設けた圧縮機翼形状をした動翼１０２は、その翼の上流と下流で差圧が生じ、それによって、主流吸気口１０８から空気が吸い込まれ、主流排気口１０９へ吐き出すことが可能なマイクロ回転流体機械が実現することができる。したがって、図示のような主流１１０が形成される。
【００３５】
ここで、図２（ｂ）に示すように、ロータ１０１の動翼１０２を形成した面の裏面の直径を、動翼１０２を形成した面の直径よりも小さくし、この部分に図２（ｃ）に示すように、少なくとも３本以上のパッドを形成したジャーナル空気軸受１０７を設けることで半径方向の安定性を保持すると同時に流体性能を向上した構造である事を特徴としている。
【００３６】
ここで、動翼１０２を形成したロータ１０１の直径を１．０とした時に、動翼１０２を形成した面の裏側のロータ１０１の直径は、０．５〜１．０の範囲の適宜な大きさに形成される。
【００３７】
仮に、動翼１０２を形成した面と裏面のロータ直径を同一にしてこのパッドを形成した場合、動翼１０２と静翼１０５の間にパッドを設けなければならなくなる。
【００３８】
本来、動翼１０２と静翼１０５の隙間は極力小さくしてロータ１０１の下面への漏洩流量を減らさなければならなが、パッド形成のためこの隙間は大きくなってしまう。また、軸受性能を向上するためにはパッド面とロータ側面との隙間も極力小さくして回転中に大きな動圧が得られるようにしなければならないが、主流の影響を大きく受けて大きな動圧が得られなくなり軸受性能向上を低下させる要因となる。
【００３９】
一方、本実施例では、回転軸方向の安定性保持のために、図２（ｄ）に示すように動翼１０２を形成した面の裏面にスパイラルグルーブ型のスラスト空気軸受（動圧空気軸受）１０６（下部スラスト空気軸受）を設けて下部安定性を、図２（ａ）に示すように動翼１０２を形成した同一平面内の軸上にスパイラルグルーブ型のスラスト空気軸受１０６’（上部スラスト空気軸受）を設けることで実現できる。
【００４０】
次に、本実施例に示すマイクロ送風機の概略加工プロセスについて説明する。
【００４１】
このマイクロ送風機の加工は、超小型の回転流体機械であるため、精密で微細な加工が要求される。このため、メモリやＣＰＵ製造で加工法が確立されている半導体製造工程を流用する事を前提にしている。
【００４２】
この製造方法は数１００ミクロンの厚みのシリコンウエハにガラスマスクを使って露光、現像、エッチングなどのプロセスを経て構造体を実現し、ポリシリコンのデポジット、イオンドーピングによって静電モータを形成する。したがって、材料はシリコンやアルミナまたは石英ガラスなどが好ましい。
【００４３】
具体的加工プロセスは図３に示すように、マスク、ウエハ前処理（ステップ２０１）を行った後、上ケーシング層の表から主流吸排気口を貫通エッチングする。上ケーシング層の裏からスラスト空気軸受エッチングを行う（ステップ２０２）。
【００４４】
次に、ロータ・ステータ層は表から動、静翼エッチング、裏からポリシリコンをデポジットしてイオンドーピングを行い、ローター分離、ジャーナル軸受エッチングを行う（ステップ２０３）。
【００４５】
次に、下ケーシング層は表からスラスト空気軸受エッチングを行い、ポリシリコンデポジット、パターニング、ＳｉＯ２デポジット、パターニング（ビアホール）を行い、放射状電極を形成する。更に、これらの電極を立体的に結線するため、再度ポリシリコンデポジット、イオンドーピング、ＳｉＯ２デポジットポリシリコンパターニングを行う（ステップ２０４）。
【００４６】
次に、分離したロータ表面に残った酸化膜を薬品で剥離する（ステップ２０５）。これは、ウエハの直接接合を行う際に、ロータが上下ケーシング層と接合しないようにするためである。
【００４７】
ウエハ接合（ステップ２０６）の後、ダイシング（ステップ２０７）を行い、半導体製造工程を流用したマイクロ送風機は完成する。
【００４８】
ここで、ロータ・ステータ層加工の際、通常、１枚のウエハから取れるチップ数を最大にするために、一般には、図４に示すように静翼内部に動翼を配置したレイアウトにする。
【００４９】
しかし、このレイアウトではロータ裏面に設けるジャーナル軸受パッドがロータと分離することができない。そこで、本実施例では図５に示すようなレイアウトにした。このようにレイアウトすることで、ジャーナル軸受の加工が可能になると同時に、ロータ・ステータ間の隙間を少ない加工時間で小さくすることができるようになる。
【００５０】
これは、シリコンの加工をボッシュスキームによるドライエッチングで行っているため、プラズマがあたる面積が小さい場合、深くエッチングするためには時間が掛かってしまうが、このようなレイアウトにするとプラズマがあたる面積が大きくなるためである。
【００５１】
なお、上述した実施例ではロータ１０１の上下面にスラスト空気軸受１０６，１０６’を設けた例を示したが、ロータ１０１に対向する上、下ケーシング面にスパイラルグルーブ型の動圧空気軸受を設けても同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、本実施例に示す提案のように、動翼形成面の裏面にパッド型ジャーナル軸受を設けるとこで流体性能を向上すると同時に軸受性能も向上可能となる。
図６（ａ），（ｂ）は、本発明の他の実施例に関わる多円弧型ジャーナル軸受を適用した場合のマイクロ送風機の概念図を示す。
【００５３】
まず、上述した実施例と同様に、図６（ａ）に示すレイアウトでロータ・ステータ層１０４を製作する。
【００５４】
ただし、ステータ内側穴１０７を同図（ｂ）に示すように、少なくとも３つ以上の多円弧形状の動圧空気軸受を形成することで、ロータが回転した時に狭い所で動圧が高くなり、広い所で低くなって半径方向の安定化を実現する。
【００５５】
また、この軸受形状でもロータ、ステータの隙間は狭いほど流体性能、軸受性能共に良くなる。また、この実施例ではロータ直径が動翼形成面と非形成面で同一であることを特徴としている。
【００５６】
さて、上述した各実施例のロータ分離加工工程後に、ディップやスピンコートなどによって樹脂を塗布し，熱硬化する。
【００５７】
この工程を追加することで、ロータが回転している時に衝撃が加わり、ステータや上下ケーシングに衝突した場合にもロータの脆性破壊を最小限に抑えることが可能となる。具体的樹脂材料としてはフォトリソグラフィー工程で用いられるレジストや一般的に半導体製造工程で用いられるポリイミド等で良く、その粘性係数は数〜数十センチポアズ未満が良い。これは、翼列の微小な隙間を樹脂が薄く塗布できるようにするためである。ディップやスピンコートプロセスによって数ミクロンの薄さが実現でき，更に良質な脆性破壊保護膜としての樹脂を塗布できる。
【００５８】
また、上述した各実施例のロータ１０１に対向する上下ケーシング面に、ＷＣ（タングステンカーバイド）またはＣｒ２Ｏ３（酸化クロム）をＣＶＤ、ＰＶＤなどの蒸着またはスパッタをすることで、ロータに接触する面を硬質皮膜化する。これにより、ロータと上下ケーシング間の潤滑性が向上し、マイクロ回転流体機械の回転体としての性能向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施例にかかるマイクロ送風機の、上ケーシング層、ロータ・ステータ層、下ケーシング層から構成するマイクロ送風機の全体構成を分解した状態で示した鳥瞰図。
【図２】ロータ・ステータ軸受要部、ジャーナル空気軸受要部、下部スラスト空気軸受要部、および、上部スラスト空気軸受要部を例示した概略断面図。
【図３】本実施例にかかるマイクロ送風機を製造する際の概略プロセスを示したフローチャート。
【図４】ロータ・ステータ層ウエハレイアウトの一例を示した概略図。
【図５】本発明にかかるロータ・ステータ層ウエハレイアウトの一例を示した概略図。
【図６】本発明の他の実施例にかかるマイクロ送風機を説明するための概略断面図。
【図７】米ＭＩＴ開発の半導体製造工程を流用した超小型ターボ型送風機の参照図
【符号の説明】
【００６０】
１０１  ロータ
１０２  動翼
１０３  軸
１０４  ステータ
１０５  静翼
１０６，１０６’  スラスト空気軸受
１０８  主流吸気口
１０９  主流排気口
１１０  主流
１１１  上ケーシング層
１１２  ロータ・ステータ層
１１３  下ステータ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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